Компактный разгонный стенд для баллистических испытаний

Введение. В отличие от реального оружия, предназначенного исключительно для пробивания преград, лабораторные метательные стенды широко используются для исследования механических свойств конструкционных материалов при высоких скоростях деформирования, верификации расчетных моделей и программного обеспечения, изучения механизмов разрушения материалов при интенсивных контактных воздействиях [1, 2]. Современные метательные (разгонные) стенды используют, как правило, энергию сжатого воздуха (скорость метания не более 350 м/с), легких газов (двухступенчатые системы, скорость метания до 11 км/с), энергию электромагнитного или электростатического взаимодействия (скорость метания до 8 км/с). Обзоры таких установок можно найти в работах [3, 4]. К сожалению, эти системы достаточно дороги, громоздки, малопроизводительны и требуют квалифицированного обслуживания. При решении задачи расчетной оценки процесса деформирования и перфорации многослойных тканевых пакетов из арамидных тканей толщиной до 10 мм ударники должны иметь скорость 315–650 м/с. Для исследования разрушения стальных термоупрочненных пластин нужна скорость ударника до 700 м/c и более. К сожалению, на современном рынке испытательного оборудования подобных установок нет. Таким образом, разработка компактного, простого и несложного в эксплуатации разгонного стенда для решения научных и учебных целей в области прикладной баллистики – актуальная задача.

Конструкция и принцип работы стенда. Главная проблема любого разгонного стенда – источник энергии. В рассматриваемой конструкции предложено использовать энергию газов стандартных монтажных патронов (серий D и К), имеющихся в свободной продаже. Энергия этих патронов варьируется от 300 до 1000 Дж, чего вполне достаточно для разгона стальных сферических ударников диаметром 8 мм (масса 2,2 г) с отмеченными выше скоростями. Серийное производство монтажных патронов позволяет получить высокую стабильность скоростей метания, а фиксированная длина ствола (150 мм) – обеспечить компактность разгонному блоку и всему стенду в целом (рис. 1). Монтажные патроны имеют боковое воспламенение, что требует изготовления ударного бойка с иглой, смещенной от оси на расстояние 4,0 мм. Затвор – пружинный механический с ручным взводом, спуск может быть произведен дистанционно. Поскольку сферический ударник имеет в стволе зазор около 50 мкм, необходимо использовать легкий пыж из полиэтилена (масса около 0,25 г), который препятствует прорыву газов в зазор и повышает коэффициент использования энергии патрона. Меняя энергоемкость патрона или сдвигая пыж с ударником ближе к срезу ствола, можно регулировать скорость вылета. Измерение начальной скорости ударника производится стандартным цифровым хронографом типа S06 [5] с погрешностью не более 1 м/с на базе 70 мм. Для предотвращения загрязнения окон оптических датчиков хронографа продуктами неполного сгорания пороха хронограф удален от среза ствола на расстояние 15 см с помощью газоотводящей трубки 3. Если использовать вместо оптического индукционный хронограф ИБХ-741 [5], то можно исключить газоотводящую трубку и уменьшить габариты стенда. Однако в этом случае нельзя будет использовать неметаллические ударники. Мишень устанавливается вблизи хронографа на расстоянии 10–20 см. В результате пробоя преграды скорость индентора снижается, он попадает в ловушку 6, которая представляет собой стальную трубку с тканевой набивкой, и останавливается, передавая ей остаточный импульс. Ловушка смещается на некоторое расстояние, преодолевая силы трения с направляющей – опорой 8. Данное смещение измеряется (погрешность не более 0,5 мм) для последующего пересчета в остаточную скорость ударника по тарировочной зависимости.

Рис. 1. Настольный разгонный стенд (защитный чехол снят): а – 1 – затвор; 2 – ствол; 3 – газоотводящая трубка; 4 – измеритель начальной скорости (хронограф); 5 – подставка для мишени; 6 – фрикционная ловушка; 7 – основание; 8 – направляющая ловушки; б – затвор и казенная часть с пыжом и ударником

Средняя погрешность измерения остаточной скорости таким способом не превышает 10 м/c (возможны непараллельность вектора скорости v и оси направляющей, флуктуации коэффициента трения по длине направляющей, колебания ловушки в процессе движения и др.). Применение баллистического маятника в данном случае нецелесообразно, так как приводит к существенному возрастанию габаритов установки и не повышает точность измерений. Важно отметить, что перед повторением испытаний индентор должен быть извлечен из ловушки для сохранения ее массы. Близким к идеалу было бы использование высокоскоростной камеры для регистрации процесса движения индентора, пыжа и осколков мишени после ее пробоя, но для целей прикладной баллистики это нужно лишь в редких случаях. Проектировщиков защитных структур в основном интересует критическое значение скорости ударника – баллистический предел, т. е. граница целостности мишени.

Построение тарировочной зависимости. При взаимодействии индентора и ловушки считается, что выполняется гипотеза абсолютно неупругого удара, то есть сохранение импульса:

mV = ( m + M ) v ,                                                                      (1)

где m и V – масса и скорость ударника до контакта с ловушкой; M и v – масса ловушки и ее скорость после захвата ударника.

Процедура тарировки ловушки заключается в пр о ведении серии выстрелов при отсутствии мишени. Скорость V измеряется хронографом, а скор о сть v – через смещение S ловушки по направляющей. Чтобы выбрать правильную функцию для сглаживания разбросов экспериментальных значений полагали, что между ловушкой и направляющей имеет место сухое трение с постоянным коэффициентом f, вся кинетическая энергия ловушки после захвата ударника расходуется на работу сил трения:

(M + m) v2/2 = (M + m) f·g·S, откуда следует, что v = (2f·g·S)0,5 = k·S0,5.                                                                                            (2)

Для рассматриваемого стенда M = 660 г, m = 2,2 г, g = 9,81 м/c 2 . При этих условиях в зависимости (2) тарировочный коэффициент k = 2,51 (определен из условия наи л учшей апп р оксимации кривой v–S , рис. 2). Отсюда получаем среднюю в е личину коэффициента трения f = 0,32, что вполне реально, учитывая качество обработки конта к тирующих поверхно с тей ловуш к и и направляющей – стального уголка. Для сохранения параметров трения в неизменности обращение с ловушкой проводится в нитяных перчатках, после экспериментов ловушка и направляющая закрываются накидкой от попадания пыли.

Рис. 2. Тарировочный график ловушки для определения остаточной скорости ударника

Последовательность работы стенда:

• 1.    Взвешивание ловушки ( M = 660 г); индентор и осколки от предыдущего выстрела удаляются из ловушки.

• 2.    Установка ловушки в исходное положение ( S = 0).

• 3.    Установка мишени.

• 4.    Установка ударника и пыжа в необходимое положение в стволе (вплотную к срезу монтажного патрона для получения наибольшей скорости, или со сдвигом по стволу на некоторое расстояние для получения меньшего значения скорости вылета).

• 5.    Установка монтажного патрона в казенную часть затвора, завинчивание торцево й пробки с иглой-бойком, навинчивание ударной части, установка спуска на упор, взвод пружины.

• 6.    Приведение хронографа в состояние готовности (до 30 с перед выстре л ом).

• 7.    Дистанционный спуск и фиксация скорости вылета V индентора на ди с плее хронографа.

• 8.    Фиксация смещения ловушки S с помощью линейки.

• 9.    Определение запреградной скорости индентора v по тарировочной зав и симости.

• 10.    Разборка казенной части, очистка ствола от н есгоревших частиц пороха (это особенно важно при выстрелах с небольшими скоростями).

Рис. 3. Баллистическая кривая пробоя пакета из 10 тканей СВМ арт.56-334 стальными сферическими ударниками диаметром 8 мм

Для примера на рис. 3 приведена баллистическая кривая пробоя пакета из 10 тк а ней СВМ арт. 56-334 (размер в плане 30×30 см) стальными сферическими ударни к ами диаме т ром 8 мм (сталь ШХ15), полученная на данном стенде [6].

Выводы. Разработанный стенд обладает рядом серьезных преимуществ по сравнению с аналогами:

• 1)    все компоненты стенда могут быть изготовлены в лабораторных условиях ( н ет прецизионных элементов);

• 2)    в открытой продаже имеются монтажные патроны различной мо щ ности, позволяющие получать различные скорости ударника; скорость можно плавно регулировать, сдвигая пыж и ударник по каналу ствола;

• 3)    для стенда можно изготовить стволы различ н ого диаметра, расшир я ющие размерный ряд используемых ударников;

• 4)    могут быть использованы ударники в виде шаров или стержней с ра з личными наконечниками (потеря устойчивости прямолинейного движения тела без стабилизир у ющего вращения вокруг оси происходит на больших расстояниях от дульного среза, а в предлагаемом стенде они минимальны);

• 5)    небольшие размеры стенда (150×300×1500 мм) позволяют устанавливать его в любых помещениях и лабораториях;

• 6)    важно заметить про соблюдение мер безопас н ости: обязательно исп о льзование з ащитного кожуха или дистанционного спуска из соседнего пом е щения-бокса.

Данный стенд используется для проведения испытаний в курсовых и дипломн ы х работах студентов специальности «Динамика и прочность машин» физического факультета ЮУрГУ, а также при проведении научных исследований [6, 7], показав свою надеж н ость и высокую производительность (до 15–20 выстрелов в час).